EP1091106B1 - Verfahren zur Bestimmung eines Abgasgegendruckes an einer Turbine - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung eines Abgasgegendruckes an einer Turbine Download PDF

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EP1091106B1 EP00120190A EP00120190A EP1091106B1 EP 1091106 B1 EP1091106 B1 EP 1091106B1 EP 00120190 A EP00120190 A EP 00120190A EP 00120190 A EP00120190 A EP 00120190A EP 1091106 B1 EP1091106 B1 EP 1091106B1
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Definitions

  • the invention relates to a method for determining an exhaust backpressure on a turbine, which is arranged in an exhaust passage downstream of an internal combustion engine, with the features mentioned in the preamble of claim 1.
  • Modern internal combustion engines are often associated with turbines, which serve as a function of predefinable control parameters for transporting an exhaust gas of the internal combustion engine.
  • turbines of this type as exhaust gas turbochargers.
  • An important parameter that would allow precise control of the turbines is an exhaust backpressure, which adjusts itself in front of the turbine by the inflowing exhaust gas. Due to the high temperatures and particle loads of the exhaust gases direct detection of the exhaust back pressure is very expensive, and corresponding pressure sensors can be integrated only at considerable cost.
  • the exhaust gas temperature upstream of the turbine may preferably be calculated from a model including a manifold temperature, an injected fuel mass, a speed of the engine, and an injection start. In this way, it is also possible to dispense with a temperature sensor in front of the turbine, which leads to a further reduction of the production costs.
  • the exhaust gas mass flow is preferably determined on the basis of a model into which a mass flow rate of the intake air and the injected fuel mass are received. Overall, the otherwise not directly determinable exhaust gas mass flow can be detected in this way and the determination of the exhaust back pressure to be based.
  • the method can be dispensed with the direct measurement of the pressure downstream of the turbine and thus to a pressure sensor in this area.
  • the pressure downstream of the turbine is determined by a model, which in turn incorporates the exhaust gas mass flow and a temperature downstream of the turbine.
  • the temperature after the turbine can be measured for example via a temperature sensor.
  • the exhaust gas turbocharger 12 includes at least one turbine 18 which is mechanically coupled to a compressor 20. Intake side of the internal combustion engine 10, the compressor 20 is arranged in a suction pipe, not shown here, while the exhaust gas turbine 18 is located in an exhaust duct, also not shown here.
  • the exhaust gas recirculation device 14 can be used in a known manner for influencing a composition of an air-fuel mixture to be combusted.
  • an exhaust gas volume is taken off the exhaust side and introduced into the intake manifold.
  • a regulation of the exhaust gas recirculation can, inter alia, via an exhaust valve 22 and a throttle valve, not shown here, which is located in the intake manifold, take place.
  • the internal combustion engine 10 is associated with an injection system 24.
  • an injection time, an injection start So and / or an injected fuel quantity m e can be regulated in a known manner via the injection system 24.
  • FIG. 1 shows by way of example a total of five measuring points (26, 28, 30, 32, 34) at which certain parameters of the internal combustion engine 10 can be detected.
  • the variables detected there and their use with regard to the determination of an exhaust gas back pressure p v in front of the turbine 18 will be discussed in more detail below.
  • FIG. 2 shows a block diagram which is intended to explain the input variables necessary for determining the exhaust gas back pressure p v and, if appropriate, their determination from other parameters stored in the engine control unit 16. All in all This model includes four input quantities, which must either be directly determinable or even first determined by means of models.
  • the first input variable is an exhaust gas mass flow m to be determined. Since a direct detection of the exhaust gas mass flow m is practically impossible, it can be calculated on the basis of a model. A mass flow rate VS 0 of the intake air (measuring points 26, 28) and the fuel mass m e supplied via the injection system 24 flow into the model.
  • a pressure p n which adjusts behind the turbine 18 in the exhaust duct (measuring point 34).
  • the pressure p n can be detected either directly via a pressure sensor installed at the measuring point 34 or, if this sensor is also to be dispensed with, can be determined via a model.
  • the model of the pressure p n is based, on the one hand, on the exhaust gas mass flow m and on the temperature T n after the turbine 18 (measuring point 34) which can be measured via a temperature sensor.
  • a temperature T V before the turbine must be determined as the third input variable.
  • a temperature sensor in this region of the exhaust duct, which allows the direct determination of the size or the temperature T V must be determined by a model.
  • flow parameters such as the intake manifold temperature T I (measuring points 28, 30), the fuel mass m e , the rotational speed n of the internal combustion engine and the start of injection S 0 .
  • a duty cycle TV LDS of a boost pressure actuator 36 must be taken into account in the determination of the exhaust gas counterpressure P v .
  • Either the speed n T is determined via a tachometer or the speed n T is simulated on the basis of a model of the compressor side of the turbocharger 12 (of the compressor 20).
  • the model includes parameters such as an ambient pressure p 0 and an ambient temperature T 0 (measuring point 26) and an intake manifold pressure p I (measuring points 28, 30), which is established in the intake manifold.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Abgasgegendruckes an einer Turbine, die in einem Abgaskanal stromab einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
  • Modernen Brennkraftmaschinen sind häufig Turbinen zugeordnet, die in Abhängigkeit vorgebbarer Steuerungsparameter zum Transport eines Abgases der Brennkraftmaschine dienen. So ist beispielsweise bekannt, Turbinen dieser Art als Abgasturbolader einzusetzen. Eine wichtige Kenngröße, die eine exakte Steuerung der Turbinen ermöglichen würde, ist ein Abgasgegendruck, der sich vor der Turbine durch das anströmende Abgas einstellt. Aufgrund der hohen Temperaturen und Partikelbeladungen der Abgase ist eine direkte Erfassung des Abgasgegendruckes sehr aufwendig, und entsprechende Drucksensoren sind nur mit erheblichen Kosten integrierbar.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das es in einfacher Weise ermöglicht, den Abgasgegendruck zu bestimmen, ohne daß zusätzliche bauliche Maßnahmen erfolgen müssen.
    Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren zur Bestimmung des Abgasgegendruckes mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, daß anhand
    • a) einer gemessenen oder berechneten Abgastemperatur vor der Turbine,
    • b) eines berechneten Abgasmassenstromes,
    • c) eines gemessenen oder berechneten Druckes nach der Turbine und
    • d) einem Tastverhältnis eines Ladedruckstellers
    der Abgasgegendruck an der Turbine berechnet wird, ist es vorteilhaft möglich, auf die Anordnung zusätzlicher Drucksensoren vor der Turbine zu verzichten. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Bestimmung des Abgasgegendruckes unabhängig von der gegebenen Turbinengeometrie durchgeführt werden.
  • Die Abgastemperatur vor der Turbine läßt sich vorzugsweise anhand eines Modells, das eine Saugrohrtemperatur, eine eingespritzte Kraftstoffmasse, eine Drehzahl der Brennkraftmaschine und einen Einspritzbeginn umfaßt, berechnen. Auf diese Weise kann auch auf einen Temperatursensor vor der Turbine verzichtet werden, was zu einer weiteren Reduktion der Herstellungskosten führt.
  • Der Abgasmassenstrom wird vorzugsweise anhand eines Modells, in das ein Massenvolumenstrom der Ansaugluft und die eingespeiste Kraftstoffmasse eingehen, bestimmt. Insgesamt kann auf diese Weise der ansonsten nicht direkt bestimmbare Abgasmassenstrom erfaßt werden und der Bestimmung des Abgasgegendruckes zugrunde gelegt werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann auf die direkte Messung des Druckes nach der Turbine und damit auf einen Drucksensor in diesem Bereich verzichtet werden. Der Druck nach der Turbine wird hierbei durch ein Modell bestimmt, in das wiederum der Abgasmassenstrom und eine Temperatur nach der Turbine einfließen. Die Temperatur nach der Turbine kann beispielsweise über einen Temperatursensor gemessen werden.
  • Als vorteilhaft hat es sich ferner erwiesen, eine Drehzahl des Turboladers zu berücksichtigen, wobei vorzugsweise die Drehzahl des Turboladers nicht direkt erfaßt, sondern mit Hilfe eines Modells simuliert wird. In ein solches Modell fließen Parameter ein, wie eine Umgebungstemperatur, ein Umgebungsdruck und ein Saugrohrdruck. Auf einen zusätzlichen Drehzahlmesser kann somit verzichtet werden.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Anordnung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und anderen betriebsnotwendigen Einrichtungen;
    Figur 2
    ein Blockschaltbild zur Bestimmung eines Abgasgegendruckes an einer Turbine und
    Figur 3
    ein Blockschaltbild einer alternativen Bestimmung des Abgasgegendruckes an der Turbine.
  • Die Figur 1 zeigt in schematischer Weise eine Anordnung einer Brennkraftmaschine 10 mit einem Abgasturbolader 12, einer Abgasrückführeinrichtung 14 und einem Motorsteuergerät 16. Der Abgasturbolader 12 umfaßt dabei zumindest eine Turbine 18, die mit einem Kompressor 20 mechanisch gekuppelt ist. Ansaugseitig der Brennkraftmaschine 10 ist der Kompressor 20 dabei in einem hier nicht dargestellten Saugrohr angeordnet, während sich abgasseitig die Turbine 18 in einem hier ebenfalls nicht dargestellten Abgaskanal befindet.
  • Die Abgasrückführeinrichtung 14 kann in bekannter Weise zur Beeinflussung einer Zusammensetzung eines zu verbrennenden Luft-Kraftstoff-Gemisches genutzt werden. Dazu wird abgasseitig ein Abgasvolumen entnommen und in das Saugrohr eingelassen. Eine Regelung der Abgasrückführung kann unter anderem über ein Abgasventil 22 und ein hier nicht dargestelltes Drosselklappenventil, das sich in dem Saugrohr befindet, erfolgen.
  • Ferner ist der Brennkraftmaschine 10 ein Einspritzsystem 24 zugeordnet. Über das Einspritzsystem 24 kann in bekannter Weise beispielsweise eine Einspritzzeit, ein Einspritzbeginn So und/oder eine eingespritzte Kraftstoffmenge me geregelt werden.
  • Der gesamte Regelprozeß sowohl des Abgasturboladers 12, der Abgasrückführeinrichtung 14 als auch des Einspritzsystems 24 kann mit Hilfe des Motorsteuergerätes 16 erfolgen. Dazu müssen über geeignete Sensoren dem Motorsteuergerät 16 die notwendigen Eingangsgrößen zur Verfügung gestellt werden, infolgedessen entsprechende Stellsignale an die Systemkomponenten übermittelt werden. Die Figur 1 zeigt beispielhaft insgesamt fünf Meßpunkte (26, 28, 30, 32, 34), an denen bestimmte Parameter der Brennkraftmaschine 10 erfaßt werden können. Auf die dort erfaßten Größen und deren Verwendung mit Hinblick auf die Ermittlung eines Abgasgegendruckes pv vor der Turbine 18 wird im folgenden näher eingegangen.
  • In der Figur 2 ist ein Blockschaltbild dargestellt, das die zur Bestimmung des Abgasgegendruckes pv notwendigen Eingangsgrößen und gegebenenfalls deren Ermittlung aus anderen im Motorsteuergerät 16 hinterlegten Parametern erläutern soll. Insgesamt umfaßt dieses Modell vier Eingangsgrößen, die entweder direkt bestimmbar oder selbst anhand von Modellen zunächst ermittelt werden müssen.
  • Als erste Eingangsgröße ist ein Abgasmassenstrom m zu bestimmen. Da eine direkte Erfassung des Abgasmassenstromes m praktisch nicht möglich ist, kann dieser anhand eines Modells berechnet werden. In das Modell fließt ein Massenvolumenstrom VS0 der Ansaugluft (Meßpunkte 26, 28) und die über das Einspritzsystem 24 zugeführte Kraftstoffmasse me ein.
  • Als zweite Eingangsgröße dient ein Druck pn, der sich hinter der Turbine 18 in dem Abgaskanal einstellt (Meßpunkt 34). Der Druck pn kann entweder direkt über einen am Meßpunkt 34 installierten Drucksensor erfaßt werden oder kann, wenn auch auf diesen Sensor verzichtet werden soll, über ein Modell bestimmt werden. Dem Modell des Druckes pn liegt dabei zum einen der Abgasmassenstrom m als auch eine über einen Temperatursensor meßbare Temperatur Tn nach der Turbine 18 (Meßpunkt 34)zugrunde.
  • Weiterhin muß als dritte Eingangsgröße eine Temperatur TV vor der Turbine (Meßpunkt 32) bestimmt werden. Entweder befindet sich in diesem Bereich des Abgaskanals ein Temperatursensor, der die direkte Bestimmung der Größe erlaubt oder die Temperatur TV muß über ein Modell ermittelt werden. In das Modell der Temperatur TV fließen Parameter ein, wie die Saugrohrtemperatur TI (Meßpunkte 28, 30) die Kraftstoffmasse me, die Drehzahl n der Brennkraftmaschine und der Einspritzbeginn S0.
  • Ferner muß als vierte Eingangsgröße ein Tastverhältnis TVLDS eines Ladedruckstellers 36 bei der Bestimmung des Abgasgegendruckes Pv berücksichtigt werden. Ergänzend dazu kann aber auch eine Drehzahl nT der Turbine 18 - wie in der Figur 3 in einem Blockschaltbild dargestellt - bei der Bestimmung des Abgasgegendruckes pv verwendet werden. Hierdurch ergibt sich eine verbesserte, insbesondere genauere Bestimmung des Abgasgegendruckes. Entweder wird die Drehzahl nT über einen Drehzahlmesser bestimmt, oder die Drehzahl nT wird anhand eines Modells der Verdichterseite des Turboladers 12 (des Verdichters 20) simuliert. Das Modell umfaßt dabei Parameter wie einen Umgebungsdruck p0 und eine Umgebungstemperatur T0 (Meßpunkt 26) sowie einen Saugrohrdruck pI (Meßpunkte 28, 30), der sich in dem Ansaugrohr einstellt.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Bestimmung eines Abgasgegendruckes an einer Turbine, die an einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    anhand
    a) einer gemessenen oder berechneten Abgastemperatur (Tv) vor der Turbine (18),
    b) eines berechneten Abgasmassenstromes (m),
    c) eines gemessenen oder berechneten Druckes (pn) nach der Turbine (18) und
    d) einem Tastverhältnis (TVLDS) eines Ladedruckstellers (36)
    der Abgasgegendruck (pv) an der Turbine (18) berechnet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Abgastemperatur (Tv) vor der Turbine (18) anhand eines Modells, das eine Saugrohrtemperatur (TI), eine Kraftstoffmasse (me), eine Drehzahl (n) der Brennkraftmaschine und einen Einspritzbeginn (so) umfaßt, berechnet wird.
  3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Abgasmassenstrom (m) anhand eines Modells, das einen Volumenstrom (VS0) der Ansaugluft und die Kraftstoffmasse (me) umfaßt, berechnet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    in das Modell für den Abgasmassenstrom (m) zusätzlich eine Abgasrückführrate (AGR) einfließt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Druck (pn) nach der Turbine (18) anhand eines Modells, das den Abgasmassenstrom (m) und eine Temperatur (Tn) nach der Turbine (18) umfaßt, berechnet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    zusätzlich eine Drehzahl (nT) des Turboladers (12) zur Bestimmung des Abgasgegendruckes verwendet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Drehzahl (nT) des Turboladers (12) anhand eines Modells der Verdichterseite (Verdichter 20) des Turboladers (12), das einen Umgebungsdruck (p0), eine Umgebungstemperatur (T0) und einen Saugrohrdruck (pI) umfaßt, berechnet wird.
EP00120190A 1999-10-07 2000-09-22 Verfahren zur Bestimmung eines Abgasgegendruckes an einer Turbine Expired - Lifetime EP1091106B1 (de)

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